微生物學

第一部分 基礎知識

1. 微生物學導論

微生物學是生物學的一個分支，它處理微生物的研究。微生物具有各種各樣的形態，由於其高度的穩健性和適應性，它們可以在地球上的任何地方找到。與其他細胞一樣，微生物通常遵循微生物學中心法則，因此具有編碼蛋白質的 DNA，這些蛋白質使它們能夠發揮功能。一些生物，如病毒，雖然不使用 DNA，但採用獨特的策略透過利用宿主生物的細胞機制來增殖。

微生物可以在生命的所有界中找到。微生物的常見例子是細菌，它們佔據著自己的生命域，即細菌域。在這個域旁邊是古菌域和真核生物域。古菌域也是許多微生物的家園，這些微生物通常被稱為原生生物。原生生物是地球上一些最強大的生物，可以在極端環境中找到，例如間歇泉、冰湖和海洋底部的熱液噴口。真核生物域也擁有大量的微生物，特別是在動物界，包括蠕蟲和其他寄生蟲，以及真菌界。

1. 1. 什麼是微生物學？

微生物學是研究微觀生物的學科，即我們用肉眼無法輕易觀察到的生物。要了解微生物，我們首先必須發現如何觀察它們。（這裡介紹顯微鏡的歷史）。

目前，微生物學是一個巨大的領域，擁有無數的工業和臨床應用。致病微生物是研究的重點，在過去的一個世紀裡，識別新的疾病治療方法是一項巨大的努力。然而，並非所有微生物都是有害的，在許多情況下，它們可以非常有益。現代糖尿病患者胰島素的生產是透過基因改造的大腸桿菌生產完成的。

1. 1. 1. 什麼是微生物？
      2. 是什麼讓微生物與其他生物不同？
   2. 為什麼要學習微生物學？
      1. 微生物學領域
         1. 醫學微生物學
         2. 環境微生物學
         3. 食品微生物學
         4. 微生物學作為基礎科學
      2. 微生物學應用
         1. 生物技術
         2. 生物修復
         3. 天然產物（生物製藥學）
         4. 合成生物學
      3. 醫學微生物學
         1. 病理學和疾病的微生物基礎
         2. 人體的微生物性質
         3. 病毒學

處理病毒研究的科學分支

1. 1. 1. 總結
   2. 微生物學史
      1. 古代歷史，在我們不知道自己不知道什麼之前，我們所知道的
         1. 古代微生物食品
         2. 古代儲存技術
         3. 在微生物世界之前對疾病的理解
      2. 衝突與轉型，微生物的發現以及圍繞自然發生的爭論
         1. 列文虎克、顯微鏡和小動物
         2. 胡克和基爾歇爾，兩位早期顯微鏡學家
         3. 自然發生理論及其反對者
         4. 路易斯·巴斯德和自然發生的終結
      3. 巴斯德和科赫，現代微生物學之父
         1. 疫苗接種和巴氏殺菌
         2. 疾病的細菌理論
         3. 科赫法則
      4. 總結
2. 微生物世界的巡禮
   1. 生命的三域
      1. 歷史視角
      2. 原核生物與真核生物
   2. 細菌
      1. 什麼是細菌？
      2. 常見的細菌特徵
      3. 根據細胞壁對細菌進行分類
         1. 革蘭氏陽性
         2. 革蘭氏陰性
         3. 抗酸
         4. 支原體
         5. 題外話：革蘭氏染色在現代微生物學和健康中的應用
      4. 根據形態對細菌進行分類
         1. 球菌
         2. 桿菌
         3. 螺旋菌
         4. 不太常見的形狀
      5. 根據代謝對細菌進行分類
         1. 能量來源
         2. 發酵
         3. 氣體產生/固定
      6. 根據遺傳學對細菌進行分類
   3. 古菌
   4. 真核生物

1. 原核細胞的結構和功能
2. 生命化學和微生物細胞的代謝
3. 營養和生長
4. 遺傳學和基因表達
5. 病毒

微生物形態和特徵

1. 細菌

細菌是體型很小的單細胞生物，通常不超過幾微米，它們生活環境、形態和食物來源多種多樣。細菌屬於細菌域，是原核生物，這意味著它們缺乏專門的細胞器和細胞核。細菌具有由肽聚糖組成的細胞壁，肽聚糖是一種由氨基酸交聯的糖聚合物。與其他細胞一樣，細菌也有細胞膜，儘管某些物種可能有兩個膜，被稱為革蘭氏陰性。細菌物種也可能具有運動性，並利用各種方式來實現這一點，例如鞭毛。

細菌可以在幾乎任何環境中生長，而且經常這樣做，它們已經進化出能夠適應快速輸入的壓力。例如，人類的消化道是數百萬細菌的家園，並不斷暴露於高度酸性的 pH 值和抗生素分子的釋放。許多細菌已經進化出能夠棲息於這種極端環境中，甚至能夠與我們一起生活，並提供急需的營養，甚至防禦入侵的微生物。這個概念被稱為腸道微生物群，並延續到與您的皮膚直接連線的幾乎您身體的每個部位。除了幫助我們防禦和消化外，細菌在地球的氮迴圈中也極其重要，並且經常與植物相關聯，將氮固定到土壤中以使其肥沃。細菌還充當分解者、初級生產者，並滿足地球上幾乎所有生態位。

細菌是地球上迄今為止最豐富的生物，其細胞數量超過所有其他生命形式的總和，其生物量也遠遠超過今天活著的所有人類的體重。這些巨大質量的細胞得益於細菌繁殖的速度。與真核物種不同，細菌透過一種稱為二分裂的過程進行復制，在二分裂過程中，單個細菌複製其整個基因組，然後將其自身一分為二，有效地克隆自身。由於這種繁殖策略，細菌能夠成倍地增加其數量。但這並不意味著細菌不能進行交配形式。某些物種樂於彼此之間轉移遺傳物質，例如幽門螺桿菌，它使用一種稱為 IV 型分泌系統的特殊蛋白質通道在細胞之間移動遺傳物質，這個過程稱為水平基因轉移。細菌吸收 DNA 的這種驚人能力是轉化原理的基礎，它使我們能夠為了研究、臨床實踐和工業目的對細菌進行基因工程。

細菌形態

細菌可以按一般形態進行分類。典型的細胞形狀和大小有助於命名和區分微生物。細菌細胞有五種型別：球菌、桿菌、球杆菌、梭形菌和螺旋菌。球菌細菌呈球形或卵形。球菌可以成對（雙球菌）、鏈狀（鏈球菌）和不規則簇狀（葡萄球菌）出現。整個細菌細胞非常小，大約與真核線粒體的尺寸相同。第二種型別，桿菌，是桿狀的。球杆菌是短而粗的桿菌，很容易與球菌混淆。梭形菌是桿狀細菌，末端逐漸變細（像美式足球一樣）。螺旋菌是螺旋形的。如果螺旋菌是螺旋形的，而細胞更靈活，則稱為螺旋體。

細菌結構

第二部分 微生物多樣性

• 分類學和系統發育
• 細菌
• 古菌
• 真菌
• 原生動物
• 單細胞藻類
• 病毒
• 放線菌

第三部分 醫學微生物學

醫學微生物學是主要關注識別、表徵和中和微生物引起的疾病的研究領域。

以下領域與醫學微生物學有關：免疫學、細菌學

細菌學是對存在於細菌域內的生物體的研究，病毒學、真菌學、藥理學

第五部分 食品和工業微生物學

工業微生物學

介紹-

在工業或大規模生產中使用微生物被稱為工業微生物學。主要在工業應用中使用細菌和真菌。細菌具有快速繁殖的特性，因為它們快速分裂，導致種群呈指數級增長。透過使用細菌，我們可以將底物轉化為更有用或更有價值的產品。

現代工業微生物學在滿足開發廉價且更快的化學反應替代品的需求方面發展起來。在工業發展的早期，轉化反應透過多個步驟的冗長而精密的化學反應來進行。它們非常難以控制，取決於各種其他因素，有時需要苛刻的條件，例如高溫、高壓、使用鹼和酸以及使用昂貴的過渡金屬作為催化劑。通常，執行一次轉化需要許多步驟的化學反應。透過使用工業微生物學，我們可以比以往更容易地在沒有如此苛刻的條件下轉化底物。

微生物還用於生產抗生素、維生素、氨基酸、有機酸、醇類，以及稱為單細胞蛋白 (SCP) 的食品。

在工業微生物學中，我們利用微生物的天然特性在各種環境條件下生長（可以使用各種材料作為它們的碳/能源來源）。例如，酵母菌屬菌種可以在有氧或無氧條件下生長。當它在有氧條件下生長時，它會將葡萄糖分解成 CO₂ 和水，併產生用於生長的能量。在厭氧條件下生長時，它會產生乙醇和 CO₂，並且僅在很少生長的條件下存活。這種特性在人類發展的早期就被識別出來，因此人類開始生產各種酒精飲料。

產品列表

• 乙醇
• 乙酸
• 乳酸
• 維生素
• 氨基酸
• 酶
• 一些殺蟲劑
• 脂類
• 著色化合物
• 多糖（樹膠）

微生物最重要的用途是作為酶生產者。在微生物學的初期，人們發現酵母中存在某些物質，負責將糖轉化為酒精。這種生物化合物被稱為酶（en=在...裡面，zyme=酵母）

如今，以下工業上重要的酶是由微生物生產的

• 澱粉酶（降解澱粉）
• 蛋白酶（降解蛋白質）
• 脂肪酶（降解脂類）
• 果膠酶（澄清葡萄酒和果汁）
• 纖維素酶（將纖維素轉化為葡萄糖）
• 蛋白酶和脂肪酶用作現代洗滌劑中的新增劑。

微生物自然產生酶，以利用周圍存在的食物來源。例如，生長在果實基質上的各種真菌和細菌會產生果膠酶和纖維素酶，以降解存在於果實細胞細胞壁上的物質。